Kärnmaterial av vapenkvalitet
Aktinider genom sönderfallskedja |
Halveringstid ( a ) |
Fissionsprodukter på 235 U efter utbyte | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
4 n | 4 n + 1 | 4 n + 2 | 4 n + 3 | 4,5–7 % | 0,04–1,25 % | <0,001 % | ||
228 Ra № | 4–6 a | 155 Eu þ | ||||||
244 cm ƒ | 241 Pu ƒ | 250 Jfr | 227 Ac № | 10–29 a | 90 Sr | 85 kr | 113m Cd þ | |
232 U ƒ | 238 Pu ƒ | 243 cm ƒ | 29–97 a | 137 Cs | 151 Sm þ | 121m Sn | ||
248 Bk | 249 Jfr ƒ | 242m Am ƒ | 141–351 a |
Inga fissionsprodukter har en halveringstid i intervallet 100 a–210 ka ... |
||||
241 Am ƒ | 251 Jfr ƒ | 430–900 a | ||||||
226 Ra № | 247 Bk | 1,3–1,6 ka | ||||||
240 Pu | 229 Th | 246 cm ƒ | 243 Am ƒ | 4,7–7,4 ka | ||||
245 cm ƒ | 250 cm | 8,3–8,5 ka | ||||||
239 Pu ƒ | 24,1 ka | |||||||
230 Th № | 231 Pa № | 32–76 ka | ||||||
236 Np ƒ | 233 U ƒ | 234 U № | 150–250 ka | 99 Tc ₡ | 126 Sn | |||
248 cm | 242 Pu | 327–375 ka | 79 Se ₡ | |||||
1,53 Ma | 93 Zr | |||||||
237 Np ƒ | 2,1–6,5 Ma | 135 Cs ₡ | 107 Pd | |||||
236 U | 247 cm ƒ | 15–24 Ma | 129 I ₡ | |||||
244 Pu | 80 Ma |
... och inte längre än 15,7 Ma |
||||||
232 Th № | 238 U № | 235 U ƒ№ | 0,7–14,1 Ga | |||||
|
Kärnvapen |
---|
bakgrund |
Kärnvapenbeväpnade stater |
Vapenklassat kärnämne är vilket klyvbart kärnämne som helst som är tillräckligt rent för att tillverka ett kärnvapen eller har egenskaper som gör det särskilt lämpligt för kärnvapenanvändning. Plutonium och uran i kvaliteter som normalt används i kärnvapen är de vanligaste exemplen. (Dessa kärnmaterial har andra kategoriseringar baserat på deras renhet.)
Endast klyvbara isotoper av vissa grundämnen har potential att användas i kärnvapen. För sådan användning måste koncentrationen av klyvbara isotoper uran-235 och plutonium-239 i grundämnet vara tillräckligt hög. Uran från naturliga källor anrikas genom isotopseparation och plutonium produceras i en lämplig kärnreaktor .
Experiment har utförts med uran-233 (det klyvbara materialet i hjärtat av toriumbränslecykeln ) . Neptunium-237 och vissa isotoper av americium kan vara användbara, men det är inte klart att detta någonsin har implementerats. De sistnämnda ämnena ingår i de mindre aktiniderna i använt kärnbränsle .
Kritisk massa
Alla kärnmaterial av vapenkvalitet måste ha en kritisk massa som är tillräckligt liten för att motivera dess användning i ett vapen. Den kritiska massan för något material är den minsta mängd som behövs för en ihållande kärnkedjereaktion. Detta är naturligtvis oändligt för allt material som inte är radioaktivt. Dessutom har olika isotoper olika kritiska massor, och den kritiska massan för många radioaktiva isotoper är oändlig, eftersom en atoms sönderfallssätt inte kan inducera liknande sönderfall av mer än en angränsande atom. Till exempel är den kritiska massan för uran-238 oändlig, medan de kritiska massorna för uran-233 och uran-235 är ändliga.
Den kritiska massan för varje isotop påverkas av eventuella föroreningar och materialets fysiska form. Formen med minimal kritisk massa och de minsta fysiska dimensionerna är en sfär. Bar-sfäriska kritiska massor vid normal densitet av vissa aktinider listas i den medföljande tabellen. De flesta uppgifter om kala sfärmassor är hemligstämplade, men vissa dokument har hävts.
Nuklid |
Halveringstid (y) |
Kritisk massa (kg) |
Diameter (cm) |
Ref |
---|---|---|---|---|
uran-233 | 159 200 | 15 | 11 | |
uran-235 | 703 800 000 | 52 | 17 | |
neptunium-236 | 154 000 | 7 | 8.7 | |
neptunium-237 | 2 144 000 | 60 | 18 | |
plutonium-238 | 87,7 | 9.04–10.07 | 9,5–9,9 | |
plutonium-239 | 24,110 | 10 | 9.9 | |
plutonium-240 | 6561 | 40 | 15 | |
plutonium-241 | 14.3 | 12 | 10.5 | |
plutonium-242 | 375 000 | 75–100 | 19–21 | |
americium-241 | 432,2 | 55–77 | 20–23 | |
americium-242m | 141 | 9–14 | 11–13 | |
americium-243 | 7370 | 180–280 | 30–35 | |
curium -243 | 29.1 | 7.34–10 | 10–11 | |
curium -244 | 18.1 | 13.5–30 | 12.4–16 | |
curium -245 | 8500 | 9.41–12.3 | 11–12 | |
curium -246 | 4760 | 39–70,1 | 18–21 | |
curium -247 | 15 600 000 | 6.94–7.06 | 9.9 | |
berkelium -247 | 1380 | 75,7 | 11.8-12.2 | |
berkelium -249 | 0,9 | 192 | 16,1-16,6 | |
californium -249 | 351 | 6 | 9 | |
californium -251 | 900 | 5,46 | 8.5 | |
californium -252 | 2.6 | 2,73 | 6.9 | |
einsteinium -254 | 0,755 | 9,89 | 7.1 |
Länder som har producerat kärnmaterial av vapenkvalitet
Minst tio länder har producerat kärnmaterial av vapenkvalitet:
- Fem erkända " kärnvapenstater " enligt villkoren i det nukleära icke-spridningsavtalet (NPT): USA ( första kärnvapentestade och två bomber som användes som vapen 1945 ), Ryssland ( första vapnet testade 1949 ), Storbritannien ( 1952 ), Frankrike ( 1960 ) och Kina ( 1964 )
- Tre andra deklarerade kärnkraftsstater som inte har undertecknat NPT: Indien (inte undertecknat, vapen testades 1974 ), Pakistan (inte undertecknat, vapen testades 1998 ) och Nordkorea (drog sig ur NPT 2003, vapentestade 2006 )
- Israel , som är allmänt känt för att ha utvecklat kärnvapen (troligen testades först på 1960- eller 1970-talet) men som inte öppet har deklarerat sin förmåga
- Sydafrika , som också hade anrikningsförmåga och utvecklade kärnvapen (möjligen testade 1979 ), men demonterade sin arsenal och gick med i NPT 1991
Uran av vapenkvalitet
Naturligt uran tillverkas av vapenkvalitet genom isotopanrikning . Till en början är endast cirka 0,7 % av det klyvbart U-235, medan resten nästan helt är uran-238 (U-238). De är åtskilda av sina olika massor . Höganrikat uran anses vara av vapenkvalitet när det har anrikats till cirka 90 % U-235. [ citat behövs ]
U-233 produceras av torium-232 genom neutroninfångning . Den producerade U-233 kräver således ingen anrikning och kan relativt enkelt kemiskt separeras från resterande Th-232. Det regleras därför som ett speciellt kärnämne endast av den totala mängden närvarande. U-233 kan avsiktligt blandas ned med U-238 för att ta bort spridningsproblem.
Även om U-233 sålunda skulle verka idealisk för beväpning, är ett betydande hinder för det målet samproduktionen av spårmängder av uran-232 på grund av sidreaktioner. Farorna med U-232, ett resultat av dess mycket radioaktiva sönderfallsprodukter som tallium-208 , är betydande även vid 5 miljondelar . Implosionskärnvapen kräver U-232-nivåer under 50 PPM (över vilka U-233 anses vara "låggradigt"; jfr. "Plutonium av standardvapenkvalitet kräver ett Pu-240- innehåll på högst 6,5 %." vilket är 65 000 PPM och den analoga Pu-238 producerades i nivåer av 0,5% (5000 PPM) eller mindre). Fisionsvapen av pistoltyp skulle kräva låga U-232-nivåer och låga nivåer av lätta föroreningar i storleksordningen 1 PPM.
Plutonium av vapenkvalitet
Pu-239 produceras artificiellt i kärnreaktorer när en neutron absorberas av U-238 och bildar U-239, som sedan sönderfaller i en snabb tvåstegsprocess till Pu-239. Det kan sedan separeras från uranet i en kärnteknisk upparbetningsanläggning .
Vapen-grade plutonium definieras som huvudsakligen Pu-239 , typiskt omkring 93% Pu-239. Pu-240 produceras när Pu-239 absorberar ytterligare en neutron och misslyckas med att klyvas. Pu-240 och Pu-239 separeras inte genom upparbetning. Pu-240 har en hög hastighet av spontan klyvning , vilket kan få ett kärnvapen att predetonera. Detta gör plutonium olämpligt för användning i kärnvapen av pistoltyp . För att minska koncentrationen av Pu-240 i det producerade plutoniumet, bestrålar vapenprogram plutoniumproduktionsreaktorer (t.ex. B Reactor ) uranet under en mycket kortare tid än vad som är normalt för en kärnkraftsreaktor . Mer exakt, plutonium av vapenkvalitet erhålls från uran som bestrålas till en låg utbränning .
Detta representerar en grundläggande skillnad mellan dessa två typer av reaktorer. I ett kärnkraftverk är hög utbränning önskvärt. Kraftverk som de föråldrade brittiska Magnox- och franska UNGG -reaktorerna, som konstruerades för att producera antingen elektricitet eller vapenmaterial, drevs vid låga effektnivåer med frekventa bränslebyten med online-tankning för att producera plutonium av vapenkvalitet. Sådan drift är inte möjlig med de lättvattenreaktorer som oftast används för att producera elektrisk kraft. I dessa måste reaktorn stängas av och tryckkärlet demonteras för att få tillgång till det bestrålade bränslet.
Plutonium som återvinns från använt LWR-bränsle kan, även om det inte är vapenklassad, användas för att producera kärnvapen på alla nivåer av sofistikering, även om det i enkla konstruktioner bara kan ge en fizzle avkastning. Vapen tillverkade med plutonium av reaktorkvalitet skulle kräva speciell kylning för att hålla dem i lager och redo för användning. Ett test från 1962 på den amerikanska Nevada National Security Site (då känd som Nevada Proving Grounds) använde plutonium som inte var av vapenkvalitet producerat i en Magnox-reaktor i Storbritannien. Det plutonium som användes tillhandahölls USA under 1958 års ömsesidiga försvarsavtal mellan USA och Storbritannien . Dess isotopsammansättning har inte avslöjats, förutom beskrivningen av reaktorkvaliteten , och det har inte avslöjats vilken definition som användes för att beskriva materialet på detta sätt. Plutoniumet kom tydligen från de militära Magnox-reaktorerna vid Calder Hall eller Chapelcross. Innehållet av Pu-239 i material som användes för 1962 års test avslöjades inte, men har antagits ha varit minst 85 %, mycket högre än typiskt använt bränsle från för närvarande arbetande reaktorer.
Ibland har lågutbränt använt bränsle producerats av en kommersiell LWR när en incident som ett fel på bränslekapseln har krävt tidig tankning. Om bestrålningsperioden har varit tillräckligt kort skulle detta använda bränsle kunna upparbetas för att producera plutonium av vapenkvalitet.
- ^ Plus radium (element 88). Även om den i själva verket är en subaktinid, föregår den omedelbart aktinium (89) och följer ett treelementsgap av instabilitet efter polonium (84) där inga nuklider har halveringstider på minst fyra år (den längstlivade nukliden i gapet är radon-222 med en halveringstid på mindre än fyra dagar ). Radiums längsta levda isotop, på 1 600 år, förtjänar alltså grundämnets inkludering här.
- ^ Specifikt från termisk neutronklyvning av uranium-235, t.ex. i en typisk kärnreaktor .
-
^
Milsted, J.; Friedman, AM; Stevens, CM (1965). "Alfahalveringstiden för berkelium-247; en ny långlivad isomer av berkelium-248". Kärnfysik . 71 (2): 299. Bibcode : 1965NucPh..71..299M . doi : 10.1016/0029-5582(65)90719-4 . "Isotopanalyserna avslöjade en art med massan 248 i konstant överflöd i tre prover analyserade under en period av cirka 10 månader. Detta tillskrevs en isomer av Bk 248 med en halveringstid på mer än 9 [år]. Ingen tillväxt av Jfr. 248 upptäcktes och en nedre gräns för β − halveringstiden kan sättas till cirka 10 4 [år] Ingen alfaaktivitet hänförlig till den nya isomeren har upptäckts, alfahalveringstiden är troligen längre än 300 [år] ]." - ^ Detta är den tyngsta nukliden med en halveringstid på minst fyra år före "havet av instabilitet ".
- ^ Exklusive de " klassiskt stabila " nuklider med halveringstider som avsevärt överstiger 232 Th; t.ex., medan 113m Cd har en halveringstid på bara fjorton år, är den för 113 Cd nästan åtta kvadriljoner år.
- ^ David Albright och Kimberly Kramer (22 augusti 2005). "Neptunium 237 och Americium: World Inventories and Proliferation Concerns" (PDF) . Institutet för vetenskap och internationell säkerhet . Hämtad 13 oktober 2011 .
- ^ Omvärderade kritiska specifikationer av några Los Alamos Fast-Neutron Systems
- ^ a b c d Kärnvapendesign & material , webbplatsen för den nukleära hotinsatsen . [ död länk ] [ opålitlig källa? ]
- ^ a b c Slutrapport, Utvärdering av säkerhetsdata för kärnkraftens kriticitet och gränser för aktinider vid transport, Frankrike, Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire, Département de Prévention et d'étude des Accidents.
- ^ Kapitel 5, Problem imorgon? Separerade Neptunium 237 och Americium , Challenges of Fissile Material Control (1999), isis-online.org
- ^ P. Weiss (26 oktober 2002). "Neptunium Nukes? Lite studerad metall blir kritisk" . Vetenskapsnyheter . 162 (17): 259. doi : 10.2307/4014034 . Arkiverad från originalet den 15 december 2012 . Hämtad 7 november 2013 .
- ^ a b Uppdaterade kritiska massuppskattningar för Plutonium-238, US Department of Energy: Office of Scientific & Technical Information
- ^ a b Amory B. Lovins, kärnvapen och drivreaktorplutonium , Nature , Vol. 283, nr 5750, sid. 817–823, 28 februari 1980
- ^ a b c Dias, Hemanth; Tancock, Nigel; Clayton, Angela (2003). "Kritiska massberäkningar för 241 am, 242 m am och 243 am" (PDF) . Utmaningar i jakten på global kärnkraftssäkerhet . Proceedings of the Seventh International Conference on Nuclear Criticality Safety. Vol. II. Tokai, Ibaraki, Japan: Japan Atomic Energy Research Institute. s. 618–623.
- ^ a b c d e Okuno, Hiroshi; Kawasaki, Hiromitsu (2002). "Kritiska och subkritiska massberäkningar av Curium-243 till -247 Baserat på JENDL-3.2 för revision av ANSI/ANS-8.15" . Journal of Nuclear Science and Technology . 39 (10): 1072–1085. doi : 10.1080/18811248.2002.9715296 .
- ^ a b c Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire: "Utvärdering av kärnkraftssäkerhet. data och gränser för aktinider i transport", sid. 16
- ^ Carey Sublette, Nuclear Weapons Vanliga frågor: Avsnitt 6.0 Nuclear Materials 20 februari 1999
- ^ [ tveksam ] Makhijani, Arjun; Chalmers, Lois; Smith, Brice (15 oktober 2004). "Anrikning av uran: bara vanliga fakta för att driva en informerad debatt om kärnkraftspridning och kärnkraft" ( PDF) . Institutet för energi- och miljöforskning . Hämtad 17 maj 2017 .
- ^ Definition av vapenanvändbart Uranium-233 ORNL /TM-13517
- ^ Kärn- material FAQ
- ^ "Reaktor-Grad och Vapen-Grad Plutonium i kärnvapensprängmedel" . Bedömning av icke-spridning och vapenkontroll av förvaring av vapenanvändbart klyvbart material och överskottsdeponering av plutonium (utdrag) . US Department of Energy. Januari 1997 . Hämtad 5 september 2011 .
- ^ Matthew Bunn och; John P. Holdren (november 1997). "HANTERING AV MILITÄR URAN OCH PLUTONIUM I USA OCH DEN FORNA SOVJETUNIONEN" . Årlig översyn av energi och miljö . 22 (1): 403–486. doi : 10.1146/ANNUREV.ENERGY.22.1.403 . ISSN 1056-3466 . Wikidata Q56853752 . .
- ^ J. Carson Mark (augusti 1990). "Reaktorklassade Plutoniums explosiva egenskaper" (PDF) . Nuclear Control Institute . Hämtad 10 maj 2010 .
- ^ Rossin, David. "USA:s policy för upparbetning av använt bränsle: problemen" . PBS . Hämtad 29 mars 2014 .
- ^ "Ytterligare information om underjordiskt kärnvapenprov av reaktor-Grade Plutonium" . US Department of Energy . juni 1994 . Hämtad 15 mars 2007 .
- ^ "Plutonium" . World Nuclear Association. mars 2009 . Hämtad 28 februari 2010 .
externa länkar
- Plutonium av reaktor- och vapenkvalitet i kärnsprängämnen, kanadensisk koalition för kärnkraftsansvar
- Kärnvapen och kraftreaktorplutonium , Amory B. Lovins , 28 februari 1980, Nature , vol. 283, nr 5750, s. 817–823
-
Garwin, Richard L. (1999). "Kärnbränslecykeln: är upparbetning meningsfullt?" . I B. van der Zwaan (red.). Kärnenergi . World Scientific. sid. 144. ISBN 978-981-02-4011-0 .
Men det råder ingen tvekan om att plutonium av reaktorkvalitet som erhålls från upparbetning av använt LWR- bränsle lätt kan användas för att tillverka högpresterande kärnvapen med hög tillförlitlighet, vilket förklaras i 1994 års kommitté för internationell säkerhet och vapenkontroll ( CISAC).